PROVE MECCANICHE SU IMPIANTI DENTALI DI F.M.D. SRL · Politecnico di Milano Dipartimento di...

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Politecnico di Milano Dipartimento di Chimica, Materiali e Ingegneria Chimica “Giulio Natta” Piazza Leonardo da Vinci, 32 20133 Milano - Italy Tel. +39 02 2399 4283 Fax +39 02 2399 4286 [email protected] www.labsmech.polimi.it 15/25/re1 Politecnico di Milano Dipartimento di Chimica, Materiali e Ingegneria Chimica “Giulio Natta” Laboratorio di Meccanica delle Strutture Biologiche PROVE MECCANICHE SU IMPIANTI DENTALI DI F.M.D. SRL Data: 16/03/2016 Dipartimento di Chimica, Materiali e Ingegneria Chimica “Giulio Natta” LaBS – Laboratorio di Meccanica delle Strutture Biologiche

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Politecnico di Milano Dipartimento di Chimica, Materiali e Ingegneria Chimica “Giulio Natta”

Laboratorio di Meccanica delle Strutture Biologiche

PROVE MECCANICHE SU IMPIANTI DENTALI DI F.M.D. SRL

Data: 16/03/2016

Dipartimento di Chimica, Materiali e Ingegneria Chimica “Giulio Nat ta” LaBS – Laboratorio di Meccanica delle Strutture Biolo giche

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PROVE MECCANICHE SU IMPIANTI

DENTALI DI F.M.D.SRL

1. Obiettivo della ricerca

L’obiettivo delle prove meccaniche è quello di determinare sperimentalmente la resistenza

meccanica statica e a fatica di impianti dentali prodotti da F.M.D.SRL

Le prove sono state svolte secondo la procedura descritta nell’articolo “Optimization of implant-

abutment connection in electro-welded implantology: study and mechanical characterization di

Fanali S, Villa T, Fanali D, Carinci F pubblicato su European Journal of Inflammation, 2011, Vol. 9,

I(S), 63-69. ISSN: 1721-727X”.

2. Materiali

2.1 Campioni di prova

Le prove sono state svolte utilizzando le tipologie di impianto descritte in Tabella 1. Esse sono

composte per le prove di compressione statiche e a fatica da un componente endosseo a vite

sommersa di due diversi diametri (3.4 mm e 5.2 mm) e da un moncone inclinato a 25°: i campioni

sono stati forniti con la parte endossea inserita in un foro ricavato in un cilindro di alluminio adatto a

poter essere afferrato nelle ganasce della macchina di prova. La configurazione di prova prevede

di vincolare il campione come illustrato in Figura 1.

Per le prove di torsione statica i campioni sono stati forniti con la parte endossea inserita in un foro

ricavato in un cilindro di alluminio adatto a poter essere afferrato nelle ganasce della macchina di

prova. La configurazione di prova prevede di vincolare il campione come illustrato in Figura 2

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Identificativo LaBS Descrizione del sistema d’impianto Prove eseguite

3.4-1, 3.4-2, 3.4-3,3.4-4 Impianto uniqo NQ Ø 3.4 mm

con moncone angolato 25° Ø 3.4 mm e vite uniqo NQ

statiche

5.2-1,5.2-2,5.2-3,5.2-4 Impianto uniqo NQ Ø 5.2 mm

con moncone angolato 25° Ø 5.2 mm e vite uniqo NQ

statiche

3.4-5, 3.4-6, 3.4-7,3.4-8 Impianto uniqo NQ Ø 3.4 mm

con moncone angolato 25° Ø 3.4 mm e vite uniqo NQ

statiche

5.2-8,5.2-6,5.2-7,5.2-8 Impianto uniqo NQ Ø 5.2 mm

con moncone angolato 25° Ø 5.2 mm e vite uniqo NQ

statiche

3.4-9, 3.4-10, 3.4-11 Impianto uniqo NQ Ø 3.4 mm

con inserto avvitatore torsioni

5.2-8,5.2-6,5.2-7,5.2-8 Impianto uniqo NQ Ø 5.2 mm

con inserto avvitatore torsioni

Tabella 1 – Campioni di prova utilizzati.

Figura 1 – Configurazione di prova a compressione statica e a fatica.

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Figura 2 – Configurazione di prova a torsione statica.

2.2 Apparecchiatura di prova

E' stato utilizzato un sistema di prova MTS 858 Bionix da 25 kN assiali-200 Nm torsionali. Il

sistema di prova MTS Bionix comprende un telaio con un attuatore idraulico assiale da ± 25 kN a

doppio effetto e torsionale da ±200 Nm, un trasduttore di spostamento LVDT con corsa massima

100 mm montato in parallelo all’attuatore per misurarne la corsa e un trasduttore di angolo ADT

con escursione massima di 140°, una cella di carico MTS modello 662.20D-04, in asse

all’attuatore, con scale da 2.5 e 25 kN assiali e 20 e 200 Nm torsionali. La macchina è guidata da

un controllore digitale Test Star 790.01.

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3. Procedura di prova

3.1 Prove di resistenza al carico statico

Criteri

Per le prove di compressione, la sollecitazione più gravosa per l’impianto è quella di flessione, che

nasce quando il carico masticatorio agisce non parallelamente all’asse dell’impianto, ma con una

certa inclinazione. Per riprodurre tale situazione, l’impianto viene montato sulla macchina di prova

con l’asse dell’impianto parallelo alla direzione verticale del carico. In tal senso si ottiene una

situazione di carico gravosa per il sistema impianto-moncone che produce il cedimento meccanico

dell’impianto a causa della flessione di tutto il sistema. Le prove prevedono di applicare un carico

crescente fino al cedimento del sistema.

Attrezzatura di prova

Per la prova di compressione il campione viene inserito in un’attrezzatura in grado di vincolare il

complesso campione-supporto all’afferraggio inferiore della macchina di prova il cui disegno

complessivo è riportato in Figura 3.

Per la prova di torsione l’impianto viene afferrato nelle ganasce inferiori della macchina di prova e il

cacciavite in quelle superiori: un’immagine è riportata in Figura 4.

Figura 3 - Attrezzatura per le prove di compressione.

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Figura 4 - Attrezzatura per le prove di torsione.

Condizioni di prova

La prova di compressione viene condotta comprimendo il campione in controllo di spostamento,

con una velocità di abbassamento dell'attuatore pari a 2 mm/min. La compressione viene arrestata

dopo la rottura del campione. Vengono acquisiti, tramite il software di controllo della macchina di

prova, i valori di spostamento dell'attuatore e di forza misurati dalla cella di carico.

La prova di torsione viene condotta ruotando la testa superiore alla velocità di 20°/min. La torsione

viene arrestata dopo la rottura del campione. Vengono acquisiti, tramite il software di controllo della

macchina di prova, i valori di angolo dell'attuatore e di coppia misurati dalla cella di carico

3.2 Prove di resistenza a fatica

Criteri

Le prove di resistenza alla sollecitazione ciclica (fatica) sono eseguite applicando il carico con la

stessa direzione utilizzata per le prove di compressione statica.

Attrezzatura di prova

L’attrezzatura utilizzata per le prove a fatica è la stessa utilizzata per le prove di compressione

statica (Figura 3).

Il carico segue un andamento periodico di legge sinusoidale con frequenza pari a 10 cicli al

secondo. Considerando i risultati ottenuti nell’articolo “Optimization of implant-abutment connection

in electro-welded implantology: study and mechanical characterization di Fanali S, Villa T, Fanali

D, Carinci F pubblicato su European Journal of Inflammation, 2011, Vol. 9, I(S), 63-69. ISSN:

1721-727X” si è deciso dapprima di testare gli impianti tra 108 e 1080 N ma, raggiunti i cinque

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milioni di cicli sia per il campione di diametro maggiore che per quello di diametro minore, si è

deciso di incrementare il carico su altri tre campioni per tipologia di impianto fino ad un carico

variabile tra 125 e 1250 N.

Le prove vengono eseguite a temperatura ed umidità ambiente; durante il periodo di prova la

temperatura si è mantenuta nell’intervallo 25±2°C e l’umidità nell’intervallo 60±5%.

Condizioni di prova

La prova viene condotta in controllo di forza e poiché nella prova a fatica dei materiali metallici non

ha alcuna influenza la frequenza di prova (conta infatti solo il numero di cicli), si utilizza la

frequenza massima compatibile con le capacità di controllo della macchina (ossia con l'ottenimento

della corretta forma d'onda e dei valori limite di carico imposti). Si imposta il valore zero dello

spostamento dell'attuatore in corrispondenza della posizione in cui vi è contatto fra il piano di carico

superiore ed il tampone che interfaccia la parte superiore dell’impianto. Viene impostato un valore

limite per lo spostamento, pari a 0.5 mm. Se tale valore viene superato, fatto che indica l’avvenuta

rottura dell’impianto, la macchina arresta automaticamente la prova bloccando la posizione

dell'attuatore e viene registrato il numero di cicli alla rottura.

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4. Risultati delle prove

4.1 Prove di resistenza a carico statico

La Tabella 2 riporta i valori registrati durante le prove di compressione per i diversi campioni,

mentre i grafici sono allegati in coda alla relazione (Figure 5 e 6). I due gruppi confrontati attraverso

un test di Student risultano statisticamente differenti sia per quanto riguarda il carico di

snervamento (p< 0.001) che quello a rottura (p<0.001).

La Tabella 3 riporta i valori registrati durante le prove di compressione a fatica per i diversi

campion. I due gruppi confrontati attraverso un test di Student risultano statisticamente differenti

per quanto riguarda il numero di cicli a rottura (p<0.01).

La Tabella 4 riporta i valori registrati durante le prove di torsione per i diversi campioni, mentre i

grafici sono allegati in coda alla relazione (Figure 7 e 8). I due gruppi confrontati attraverso un test

di Student non risultano statisticamente differenti per quanto riguarda la coppia massima (p>0.05).

Identificativo LaBS Carico Snervamento [N] Carico Massimo [N] Figura

3.4-1 1025 2265 5 3.4-2 970 2380 5 3.4-3 905 2359 5 3.4-4 950 2346 5

media 962.5 2337.50 dev.std 49.75 50.32

5.2-1 1170 1316 6 5.2-2 1133 1140 6 5.2-3 1214 1360 6 5.2-4 1198 1273 6

media 1178.75 1272.25 dev.std 35.50 95.05

Tabella 2: Risultati delle prove statiche di compressione.

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Identificativo LaBS Carico appilcato [N] Cicli a rottura

3.4-5 108-1080 >5.000.000 3.4-6 125-1250 395.935 3.4-7 125-1250 79.085 3.4-8 125-1250 78.257

media 1449297.67 dev.std 971537.20

5.2-5 108-1080 >5.000.000 5.2-6 125-1250 467.704 5.2-7 125-1250 1.469.733 5.2-8 125-1250 2.410.456

media 184425.67 dev.std 183172.92

Tabella 3: Risultati delle prove a fatica.

Identificativo LaBS Coppia Massima [Ncm] Figura

3.4-9 257 7 3.4-10 200 7 3.4-11 173 7 media 210

dev.std 42.89

5.2-9 237 8 5.2-10 251 8 5.2-11 241 8 media 243

dev.std 7.21

Tabella 4: Risultati delle prove statiche di torsione.

Milano, 16.03.2016

Ing. Tomaso Villa

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Figura 5

Figura 6

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Figura 7

Figura 8